Конструкция асинхронного двигателя с фазным ротором

Надёжность электродвигателя это одно из важнейших качеств его. Обычно она связана с простотой конструкции. Чем проще конструкция, тем надёжнее движок. Эта зависимость подтверждается асинхронными электродвигателями. Они получили самое широкое распространение из всех электродвигателей именно по причине простоты устройства и надёжности. В них реализован самый простой способ получения крутящего момента на валу движка. Максимум магнитного поля статора перемещается вокруг вала, вызывая его ответную реакцию.

Причины появления фазного ротора в асинхронном двигателе

Реакция ротора вызвана током, который возникает в нём. Ведь по своей сути статор является первичной обмоткой трансформатора. А ротор – его вторичная обмотка. При неподвижном роторе величина тока в нём максимальна. Это объясняется тем, что скорость перемещения максимума магнитного поля статора относительно вала получается максимальной. Такой режим асинхронного движка аналогичен включению трансформатора с вторичной обмоткой замкнутой накоротко.

А поскольку обмотки взаимосвязаны магнитопроводом, который в асинхронном двигателе разделён на железо вращающейся части его и сердечник статора, в обмотке статора тоже получается максимум величины тока. Если мощность электросети недостаточна для того, чтобы при пуске асинхронных движков поддержать напряжение в пределах необходимого значения, применяются меры по уменьшению пускового тока этих двигателей. Это делается либо при помощи специальных схем, которые позволяют регулировать токи в обмотках статора, либо использованием асинхронных движков специальной конструкции – с фазным ротором.

Как устроен фазный ротор?

Фазный ротор содержит обмотки в виде катушек с витками. Эти катушки соединены по схеме «звезда». Конец каждой обмотки соединён с ответствующим кольцом. При подаче напряжения на статор на каждом кольце появляется напряжение. В скользящем контакте с кольцом находится щётка, которая даёт возможность подключения внешних элементов. Эти элементы являются частью схемы управления. Она получается более простой, по сравнению с теми схемами, которыми движок управляется со стороны статора. Чаще всего схема управления содержит набор резисторов.

Они подключаются по мере разгона вала. Хотя такой способ управления пуском асинхронного двигателя не самый экономичный, он наиболее часто применяется на практике в силу своей простоты и минимума коммутационных помех. Ограничение тока ротора это не только возможность плавного запуска двигателя, но и ограничение скорости вращения вала. Но тогда более рациональным решением будет использование индуктивностей вместо резисторов. Иллюстрации, показывающие особенности конструкции асинхронного движка с фазным ротором показаны далее.

При автоматическом управлении лучше всего применять реле или полупроводниковые коммутаторы, которые параллельно стартовому резистору подключают новые резисторы, постепенно уменьшая их суммарное сопротивление до нуля с шунтированием всех резисторов последним коммутатором или контактами реле. Для наиболее плавного пуска необходимо использовать реостат 1, который на схеме слева включён в электрической цепи ротора и своими ползунками 5 соединён с кольцами 2 через клеммы щёток 3. Движок начинает работать после замыкания контактов рубильника 4. При этом ползунки реостата должны быть установлены в положение «Пуск».

В этом положении сопротивлении реостата максимально. Вал движка начинает вращаться. Перемещение ползунка будет приводить к разгону вала до максимальной скорости, которая появится при нулевом значении сопротивлении реостата. Однако есть ещё одно следствие такой регулировки двигателя с фазным ротором. Меняется связь крутящего момента и скольжения. Этот эффект показан на графике ниже. При определённой величине сопротивления в цепи ротора максимум крутящего момента смещается в сторону более высоких оборотов движка, как на кривой 2. Кривая 1 соответствует нулевому значению сопротивления в цепи фазного ротора.

При нулевом сопротивлении кольца, по сути, замкнуты накоротко. Щётки и кольца из-за трения изнашиваются. А поскольку после завершения разгона вала этот узел фактически не используется его целесообразно исключить из процесса работы. По этой причине асинхронный двигатель с фазным ротором предусматривает специальный механизм. Он отодвигает щётки от колец и одновременно замыкает последние накоротко. В результате кольца и щётки работают намного дольше по сравнению с тем вариантом, который предусматривает их непрерывный контакт.

Простота и надёжность асинхронных двигателей основана на конструкции ротора. Но именно это обстоятельство и создаёт проблемы с их эксплуатацией. Большие пусковые токи в некоторых случаях неприемлемы настолько, что оправдывается более сложная и дорогостоящая намоточная конструкция ротора с кольцами и щётками. Тогда и применяют асинхронный двигатель с фазным ротором. Но более сложная конструкция и цена их в сравнении с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором оправдывается также и тем, что они позволяют получить величину крутящего момента в рабочем режиме при меньших габаритах и массе. Поэтому эти особенности делают асинхронные двигатели с фазным ротором в ряде случаев наиболее предпочтительными.

Асинхронный двигатель с фазным ротором – это двигатель, который можно регулировать с помощью добавления в цепь ротора добавочных сопротивлений. Обычно такие двигатели применяются при пуске с нагрузкой на валу, так как увеличение сопротивления в цепи ротора, позволяет повысить пусковой момент и уменьшить пусковые токи. Этим асинхронный двигатель с фазным ротором выгодно отличается от АД с короткозамкнутым ротором.

Статор (3) выполнен, так же как и в обычном асинхронном двигателе, он представляет из себя полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, в который уложена трехфазная обмотка.

Ротор (4) по сравнению с короткозамкнутым, представляет из себя более сложную конструкцию. Он состоит из сердечника в который уложена трехфазная обмотка, аналогично обмотке статора. Отсюда название двигателя. Если двигатель двухполюсный, то обмотки ротора смещены геометрически друг относительно друга на 120. Эти обмотки соединяются с тремя контактными кольцами (2), расположенными на валу (5) ротора. Контактные кольца выполнены из латуни или стали, причем друг от друга они изолированы. С помощью нескольких металлографитовых щеток (обычно двух), которые расположены на щеткодержателе (1) и прижимаются пружинами к кольцам, в цепь вводятся добавочные сопротивления. Выводы обмоток соединяются по схеме "звезда".

Добавочное сопротивление вводится только при пуске двигателя. Причем им обычно служит ступенчатый реостат, сопротивление которого уменьшают с увеличением оборотов двигателя. Таким образом пуск двигателя осуществляется тоже ступенчато. После того, как разгон закончился и двигатель вышел на естественную механическую характеристику, обмотку ротора закорачивают. Для того, чтобы сохранить щетки и снизить потери на них, в двигателях с фазным ротором существует специальное устройство, которое поднимает щетки и замыкает кольца. Таким образом, удается повысить еще и КПД двигателя.

Добавочное сопротивление позволяет главным образом осуществить пуск двигателя под нагрузкой, работать с ним длительное время двигатель не может, так как механические характеристики слишком мягкие и работа двигателя на них нестабильна.

Для того чтобы автоматизировать пуск двигателя, в обмотку ротора включают индуктивность. В момент пуска, частота тока в роторе наибольшая, а значит и индуктивное сопротивление максимально. Затем, при разгоне двигателя, частота, как и сопротивление уменьшаются, и двигатель постепенно начинает работать в обычном режиме.

За счет усложнения своей конструкции, асинхронный двигатель с фазным ротором, обладает хорошими пусковыми и регулировочными характеристиками. Но по той же причине, его стоимость возрастает приблизительно в 1.5 по сравнению с обычным АД, кроме того увеличивается масса, размеры и как правило, уменьшается надежность двигателя.

Трёхфазный асинхронный двигатель является наиболее широко используемым электродвигателем. Почти 80% механической мощности, которая используется в промышленном производстве, преобразуется из электрической мощности, через асинхронные трёхфазные двигатели. Это происходит по той простой причине, что эти двигатели дёшевы, просты и надёжны в эксплуатации и обслуживании. Они имеют хорошие эксплуатационные характеристики, в них отсутствует коллектор, а также они эффективны при регулировании скорости.

В трёхфазном асинхронном двигателе мощность передаётся от статора на обмотку ротора посредством индукции. Наименование «асинхронный» говорит о том, что скорость вращения магнитного поля и скорость ротора не синхронны, при работе в режиме двигателя ротор имеет меньшую скорость, чем скорость вращающегося магнитного поля статора.

Как и любой другой электрический двигатель, асинхронный двигатель имеет две основные части, а именно: ротор и статор.

• Статор. Как следует из названия – это неподвижная часть двигателя. На статоре расположены трёхфазные обмотки, а также клеммник, через который подаётся электрическая энергия.
• Ротор. Представляет собой вращающуюся часть асинхронного двигателя. Ротор соединён с механической нагрузкой через вал.

Ротор асинхронного двигателя

Ротор асинхронного двигателя может конструктивно отличатся по своему исполнению, он может быть следующих типов:

• Короткозамкнутый ротор (Squirrel cage rotor).
• Фазный ротор (Slip ring rotor or wound rotor or phase wound rotor).

В зависимости от типа используемой конструкции ротора, асинхронный трёхфазный двигатель классифицируется как:

• Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа беличьей клетки (Squirrel cage induction motor).
• Асинхронный двигатель с фазным ротором (Slip ring induction motor or wound induction motor or phase wound induction motor).

Конструкция статора для обоих типов двигателя остаётся одной и той же.

Кроме основных частей, таких как статор и ротор, асинхронный двигатель имеет и другие не основные части, а именно:

• Вал для передачи крутящего момента от двигателя на механическую нагрузку. Этот вал изготавливается из стали.
• Подшипники для поддержки вращающегося вала.
• Вентилятор для создания охлаждения двигателя, так как при своей работе асинхронный двигатель выделяет тепло.
• Клеммник для подключения электропитания двигателя.
• Воздушный зазор между статором и ротором, который должен быть как можно меньше и, обычно, его величина колеблется от 0,4 мм до 4 мм.

Статор трёхфазного асинхронного двигателя

Статор асинхронного трёхфазного двигателя состоит из трёх основных частей:

• Корпус статора.
• Сердечник статора.
• Обмотка статора или обмотка возбуждения.

Корпус статора

Это внешняя, наружная часть статора, функция которого заключается в поддержке сердечника статора и обмоток возбуждения. Он действует как защитное покрытие, обеспечивает механическую прочность всех внутренних частей двигателя. Корпус изготавливается с помощью литья под давлением или из сварной стали. Он должен быть очень прочным и жёстким, потому как требуется обеспечить наименьшую величину воздушного зазора трёхфазного асинхронного двигателя. Более того, воздушный зазор должен быть равномерный между статором и ротором, иначе магнитное притяжение будет несбалансированно, что приведёт к низкой эффективности двигателя и его быстрому износу.

Сердечник статора

Основное назначение сердечника статора заключается в том, чтобы обеспечить чередующийся переменный магнитный поток в статоре. Сердечник статора является магнитопроводом. Для того, чтобы уменьшить потери от вихревых токов, сердечник статора изготавливают из тонких листов ламинированной электротехнической стали. Толщина таких листов, изготовленных с помощью штамповки, составляет 0,4 – 0,5 мм. Как правило, выбирается сталь с высоким содержанием кремния, который помогает уменьшить потери на гистерезис, происходящие при работе двигателя.

Все тонкие ламинированные листы собираются в пакет так, чтобы образовался цельный сердечник с пазами (слотами) для размещения в них обмотки возбуждения. Внешний вид собранного пакета напоминает кусок полой толстой трубы, во внутренней части которого проделаны параллельные борозды в виде отрезков.

Обмотка статора (обмотка возбуждения)

В трёхфазном асинхронном двигателе в сердечнике статора, в пазах (слотах), располагаются три обмотки возбуждения. По одной обмотке на каждую фазу питания. Эти обмотки между собой соединяются в трёхфазную цепь по типу или «звезда» (Star), или «треугольник» (Delta). Тип соединения зависит от характеристики подаваемого питания на обмотки статора.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором позволяют выполнять запуск с помощью переключения «звезда-треугольник» (star-delta), тогда в рабочем режиме двигатель будет работать с подключением обмоток типа «треугольник». Такое переключение и такой режим работы имеет свои преимущества и недостатки, но гораздо чаще можно встретить прямой пуск асинхронного трёхфазного двигателя по типу подключения «звезда» (star).

В том случае, если подключается асинхронный двигатель с фазным ротором, в котором обмотка ротора выведена на контактные кольца и есть к ним доступ через клеммник, запуск двигателя осуществляется через вставку сопротивлений в обмотку ротора. В этом случае не только статор может иметь способы соединения обмоток, но и ротор может быть соединён по типу или «звезда», или «треугольник».

Обмотку статора называют обмоткой возбуждения потому, как именно через неё создаётся вращающееся магнитное поле, которое является причиной работы асинхронного двигателя.

Типы трёхфазных асинхронных двигателей

Существует два типа двигателей с различными конструкциями роторов, как было сказано об этом выше.

Трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Ротор короткозамкнутого асинхронного двигателя имеет цилиндрическую форму. На периферии ротора имеются пазы (слоты). Пазы параллельны друг другу и имеют скос относительно оси вращения ротора. В пазах ротора расположены проводники, которые являются обмоткой ротора и выполнены в виде алюминиевых, медных или латунных стержней. Скос проводников обмотки необходим, чтобы предотвратить магнитное запирание ротора и статора, что делает работу двигателя более гладкой и равномерной, без рывков и перегрузок.

По бокам, с торцов ротора расположены кольца, с которыми соединены проводники обмотки ротора. По внешнему виду такая конструкция обмотки похожа на беличье колесо. Так как обмотка ротора замкнута накоротко, это исключает возможность изменять сопротивление обмотки, потому как отсутствуют контактные кольца и щёточный механизм. В свою очередь такая конструкция ротора проста и надёжна, что позволяет широко использовать трёхфазные асинхронные двигатели с этим типом ротора.

Преимущества использования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

• Простота, надёжность и прочность конструкции.
• Отсутствие контактных колец и щёточного механизма значительно упрощает обслуживание двигателя.

Применение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Используется в станках в металлорежущем и деревообрабатывающем оборудовании, в сверлильных станках, а также в вентиляторах, в токарном и фрезерном оборудовании.

Трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

В этом типе трёхфазного асинхронного двигателя ротор не имеет короткозамкнутой обмотки. Отсутствуют торцевые кольца, на которых проводники ротора соединяются накоротко. Ротор обычно имеет такое же количество пар полюсов, что и статор, но в отличии от статора его проводники имеют гораздо большее сечение. Концы проводников выводятся на контактные кольца, которые расположены на валу фазного ротора. Если оба конца проводников выведены на контактные кольца, то это позволяет соединять обмотку ротора по типу «звезды» (star) или «треугольника» (delta). В основном, с одной стороны контакты проводников фазного ротора соединяются вместе в общую точку, а противоположные концы выводятся на контактные кольца. В этом случае фазный ротор включается по типу «звезда» (star) и имеется возможность управлять сопротивлением обмотки ротора через коммутационную аппаратуру.

Контактные кольца фазного ротора соприкасаются со щётками, посредством которых осуществляется непрерывный контакт с обмоткой ротора. Щётки располагаются в щёточном механизме, они требуют дополнительного обслуживания, периодической замены по мере износа. Наличие подвижного контакта вызывает нежелательное искрение, которое сводят к минимальному значению, обеспечивая плотное прилегание щёток к контактным кольцам.

Подключение внешнего сопротивления в обмотку ротора используется для облегчения пуска двигателя и для контроля скорости двигателя. Чтобы обеспечить плавный пуск двигателя с фазным ротором, по мере пуска добавочное сопротивление в обмотке ротора уменьшают. Это происходит или плавно, или ступенчато, в зависимости от используемой пусковой аппаратуры. Когда двигатель войдёт в рабочий режим, обмотка ротора практически замкнута накоротко.

В ниже приведённой схеме показана схема включения и запуска трёхфазного асинхронного двигателя с фазным ротором.

Преимущества трёхфазного асинхронного двигателя с фазным ротором

• Он имеет высокий пусковой момент и низкий пусковой ток.
• Возможен контроль скорости вращения через дополнительные сопротивления в цепи фазного ротора.

Применение трёхфазного асинхронного двигателя с фазным ротором

Двигатель этого типа используется там, где требуется высокий пусковой момент. Например, это могут быть: подъёмные механизмы, краны, лифты, любое оборудование, в котором двигатель вынужден запускаться с высокой механической нагрузкой на валу. Кран, который держит подвешенный груз, или лифт, который нагружен, всё это повышенная нагрузка на вал ротора, что в свою очередь требует высокого пускового момента от двигателя. Включение обычного короткозамкнутого асинхронного двигателя при такой нагрузке приведёт к высоким пусковым токам, что неэкономично, потому как повышает требования к электросети и может вызвать поломку двигателя. Поэтому применение асинхронных двигателей с фазным ротором оправдано.

Возможно Вам будут интересны следующие статьи из этого раздела:

Если Вы не нашли ничего интересного в этом разделе, тогда Вам следует воспользоваться левым вертикальным меню, чтобы попасть в интересующий Вас раздел сайта.

Это сайт рассказывает и объясняет теоретические и практические таких предметов как: электротехника, механика, автоматизация, теория управления и регулирования, электроника, проектирование радиоэлектронной аппаратуры, энергетика и безопасность и т.д.